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喇叭常見問題

 

 

 

 

 


放大IC攸關音質與功耗 - D類放大器

當數位音訊資料處理完畢,成為類比聲音訊號後,須加以放大輸出,因此放大IC也是攸關音質高低的重要環節。

不過放大技術與音質的關連性,卻不能完全以音質的角度出發,以傳統的ClassA/AB放大技術來看,A類放大的音質最好,其原理是純粹的以類比訊號進行線性放大,音質沒有失真。
不過,A類放大雖具有最佳的信號傳真性,但是卻相當耗電,一般來說,電能利用率只有20%~30%,例如供應100W電力給A類放大裝置,最後真正輸出到喇叭發聲功率的只有25W左右,其餘的75W通通耗掉除了電力效率不佳,高耗能也代表會產生高廢熱,常需要再放大電晶體上配裝大型的散熱片輔助散熱。對手持式裝置來說,高功耗與高熱都是設計上的原罪,開發者避之唯恐不及。

另一種B類放大設計,雖省電性較佳,但信號失真影響音質甚巨,因此衍生兼具兩者優點的AB類放大,在音質與省電性取得較能接受的均衡點,過去成為消費性音響領域最受歡迎的放大方式。
但目前在數位播放裝置,越來越講求整體電路配置空間縮小,並且降低功耗讓產品更省電,以維持電池續航力等種種發展趨勢下,於1958年就提出的D類放大(Class D Audio Power Amplifier),目前成為當紅炸子雞。

D類放大利用的原理為PWM(Pulse Width Modulation),作用方式類似於主機板上交換式電源概念,即利用數位頻率波型的疏密來輸出類比振幅的高低大小,頻率密則振幅高,反之頻率疏時則振幅降低。也因此運作模式,D類放大意被稱為數位式功率放大或數位功放。
D類放大省略了傳統AB類晶體放大,在做成大功率機型時所需的大型變壓器、超大濾波電容,可改以小電容與類似交換式電源供應模式(Switching Power)的小型變壓器取代,使得電能可以快速直接地驅動喇叭單體,此運作模式提供極高的電能利用率,純理論上是100%運用,實務上電能利用率也經常在80%、90%水準。

由上述驅動模式即可發現,D類放大電路當然在工作時不易產生高熱,所以可以免掉佔空間的散熱片,此外,由於採用PWM模式,D類放大電路所需的體積,會比傳統的功率放大線路小了許多,成本也較低,加上低耗熱優點,D類放大線路非常適合塞在小空間裡。
不過以音質的角度檢視,D類放大的缺點是以調變程序所形成的放大,其結果必然與原始信號有些出入,但在一般消費性產品的音樂播放上,其品質可被接受,甚至在目前的技術下,D類放大的音質越來越好,特別是在低瓦數的狀況下。

例如,以採用D類放大器IRS2092S D的IRAUDAMP5設計方案,與同等級AB類放大輸入比較,在1KHz、接4Ω負載時,80W以下區域,D類放大的THD+N實際上是低於AB類放大器,而在60W附近,D類放大的THD+N更是進步到了0.005%的水準。
只有在80W到140W區域,AB類放大的性能才稍高過D類放大,不過即使到的120W,D類放大的THD仍不超過1%。對於大部份數位音效裝置來說,很少用到高功率,低功率的情況比較常見,此時D類放大的反而佔有音質優勢。

D類放大的優劣評估,在於供電抑制率(Power Supply Rejection Rate; PSRR)以dB為單位,PSRR必須盡可能高。對於音質方面,則為總諧波失真加噪訊比(THD+N)要求,此點以百分比(%)為單位,THD+N則是盡量低,一般不超過10%,高標要求上還要低於0.1%、0.01%。不過THD+N建議與負載阻抗RI、輸出功率(Output Power)、PWM的調變頻率(f)等作比較,才能準確判斷。

此外,D類放大有獨特的電子特性,因此在音質評估時,必須注意EMI電磁干擾問題。因D類放大IC會持續、頻繁地進行電晶體的導通、關閉作業,所以很容易產生電磁干擾,對於音質當然有不利影響。因此越能降低電磁干擾散發度的產品越好,不過此點在空間與成本許可的情況下,可用金屬外殼加強屏蔽。
此外,許多D類放大IC在省電性、控制性、體積縮小、彈性、保護能力上都有所著墨,形成各家的特色,大部份與音質沒有太大的關係,不過有些設計如果太過頭,對於音質就會有影響。

例如一些D類放大IC減少後段的LC低通濾波電路品質,如使用更小的電容,或根本省去電容(Cap-Free),甚至有些設計連外接電感都一倂省去(LC-Free、Filter-Free),直接將揚聲器的的音圈之漏電感來充當LC用,當然,此種D類放大IC能夠達到相當小的體積,因其輸出接腳可與喇叭、耳機直接相連。
雖此種設計方式可將體積縮至極小,但高頻部份未經過濾就直接輸出,喇叭不易將20KHz以上的頻率發聲,即便發出人耳也聽不到的20KHz以上的頻率,但如果省過頭,也可能對可聽範圍內的音質產生負面影響,D類放大IC的提供商有ADI, Cirrus Logic, MAXIM, Motorola, NS, Philips, Sanyo, ST, TI, TriPath等。

摘錄自Digitimes